Abstracto
Se investigó el comportamiento de coagulación del cloruro de polialuminio (PACl) con diferentes bases ( B = OH/Al) bajo diferente alcalinidad. El objetivo es obtener un mejor conocimiento de los mecanismos de coagulación, incluidas las interacciones entre los productos hidrolizados de Al(III) y las partículas. Se utilizaron pruebas de jarra, que incluían potencial zeta, turbidez residual (RT) y valores de pH, para evaluar la eficiencia de la coagulación. Se utilizó una técnica de monitoreo óptico con analizador de dispersión fotométrica (PDA) para observar la dinámica de la coagulación. Los resultados experimentales muestran que los coagulantes tradicionales, como el alumbre, experimentan una rápida hidrólisis después de la dosificación, y los productos de hidrólisis in situ pueden desestabilizar las partículas de caolín al precipitar la neutralización de carga (PCN). Las especies poliméricas preformadas en PAC exhiben una estabilidad relativamente alta después de la dosificación y pueden formar “manchas electrostáticas” en las superficies de las partículas de arcilla. Estos puntos juegan un papel importante en la “coagulación con parche electrostático” (EPC). El aumento de la alcalinidad expande las regiones PCN y EPC. En condiciones de baja alcalinidad, el EPC con alto contenido de Alb presente en los PAC funciona mejor que la coagulación con PCN. El aumento de la alcalinidad mejora la eficiencia de los coagulantes tradicionales debido a la floculación de la suspensión. Con una alcalinidad más alta, se requiere más coagulante para neutralizar la carga completa. Las relaciones estequiométricas entre dosis y alcalinidad varían dependiendo de los valores B de los PAC.
Introducción
La coagulación es uno de los pasos más importantes en los sistemas de tratamiento de agua convencionales. Tradicionalmente, el objetivo principal de la coagulación es eliminar la turbidez del agua. Con el reconocimiento de los subproductos de la desinfección, la eliminación de materia orgánica natural (MNO) a través de una coagulación mejorada ha sido ampliamente aceptada en todo el mundo [1], [2], [3].
Los coagulantes más utilizados son las sales de aluminio y hierro como el alumbre (sulfato de aluminio) y el cloruro férrico. Las sales metálicas, después de agregarse al agua, pueden sufrir una serie de procesos de hidrólisis y formar una variedad de productos hidrolizados. El alumbre es eficaz para purificar una amplia gama de tipos de agua y sus costos son relativamente bajos [4]. Sin embargo, el alumbre puede sufrir un deterioro significativo en su eficiencia de filtración en algunas aguas, especialmente dentro de ciertos rangos de pH y temperatura. En las últimas décadas, una nueva generación de coagulantes, los floculantes poliméricos inorgánicos (IPF), se han vuelto cada vez más populares. Los IPF, como el cloruro de polialuminio (PACl) y el cloruro de polihierro (PICl), son una clase de sales metálicas parcialmente neutralizadas con una fracción de polímero significativa en algunas condiciones. Las especies polimerizadas preformadas tienen la ventaja de ser más efectivas en una variedad de condiciones de calidad del agua, especialmente a temperaturas más bajas y un rango de pH más amplio que el alumbre [5, [6], [7, [8], [9], [10], [11].
Los coagulantes tradicionales y los IPF funcionan de manera diferente debido a su caracterización química. En condiciones que normalmente se encuentran dentro del rango de pH de las aguas naturales, la hidrólisis de sales de aluminio puede producir una gama de productos que van desde monómeros y oligómeros hasta complejos de hidroxilo poliméricos. La mayoría de ellos, como Al(OH) 2+ , Al(OH) 2+ , Al2 (OH) 24+ , Al3 ( OH) 45+ y Al13O4 (OH) 247+ ( tres polímeros comerciales o ‘Al13 ‘ ), tienen carga positiva y pueden interactuar con coloides cargados negativamente, provocando así la desestabilización y agregación de partículas coloidales . Los PAC generalmente se preparan mediante neutralización controlada del cloruro de aluminio. Los PAC suelen contener cantidades significativas de productos de hidrólisis de aluminio polinuclear [12], [13], incluido Al 13 , que se encuentra entre las especies más importantes [14], [15]. Sin embargo, hasta la fecha no se comprenden completamente los mecanismos de coagulación del PACl.
Klot [16] descubrió que las especies preformadas en PAC eran más estables que las formadas in situ después de la adición de alumbre. Matsui planteó la hipótesis de que esas especies preformadas podrían desestabilizar las partículas más rápidamente [17]. Se ha informado que las características del agua, especialmente la alcalinidad, pueden afectar los procesos de hidrólisis de muchos coagulantes y tener efectos profundos en la eficiencia de la coagulación [ 18 ]. Estudios anteriores han centrado la mayor parte de su atención en el efecto de la alcalinidad en los comportamientos de coagulación de los coagulantes tradicionales, y pocos estudios se han centrado en el efecto de la alcalinidad en la coagulación con PAC. Se ha observado que la demanda de alumbre aumenta linealmente con el aumento de la alcalinidad [19], [20] y que la turbidez es difícil de eliminar cuando la alcalinidad se reduce por debajo de 30 mg/L como CaCO3 [ 21]. La alcalinidad también juega un papel clave en la mejora de la coagulación para la eliminación de NOM, ya que tiende a mantener el pH de coagulación más alto y reducir la eliminación de NOM [1]. Los PAC pueden verse menos afectados por la alcalinidad que el alumbre, especialmente aquellos PAC con mayor basicidad [22], pero los mecanismos involucrados en este fenómeno no han sido dilucidados.
Los mecanismos generales de la coagulación se resumen en detalle en la revisión de Duane y Gregory [23]. La inestabilidad coloidal se puede lograr añadiendo alumbre, y el mecanismo correspondiente se llama neutralización de carga. Debido a la muy baja solubilidad del aluminio, al aumentar la dosis de alumbre, se puede formar una precipitación rápida y excesiva de hidróxido de aluminio, y las partículas finas en el agua quedan atrapadas en el precipitado de hidróxido, lo que da como resultado una eliminación eficaz de la turbidez. Este proceso se denomina mecanismo de «floculación por barrido» porque las partículas son eliminadas del agua por un precipitado de hidróxido amorfo. Chowdhury y Amy [24] afirmaron que la precipitación es el mecanismo principal en la coagulación de coloides de alúmina con alumbre. Según el modelo de “floculación recíproca”, la incorporación de coloides al precipitado sigue dos vías: una es la nucleación heterogénea que implica la neutralización de la carga y el posterior crecimiento del precipitado a valores de pH bajos, y la otra es la nucleación homogénea que implica la precipitación y la posterior agregación en partículas agregadas. A valores de pH altos , en este estudio, la primera vía se considera como neutralización de carga y la segunda vía se considera como floculación recíproca. Respecto a los mecanismos de coagulación/floculación de los PAC, la mayoría de los estudios actuales se han centrado en el modo de neutralización de carga [13, [17], [25], [26]. Dentel [27] intentó explicar los mecanismos de coagulación de diferentes tipos de coagulantes con un modelo de neutralización de carga combinada (PCN). Recientemente, Wang et al. propusieron la “coagulación con parche electrostático” (EPC). [28] para interpretar los comportamientos de coagulación de los PAC, pero no se ha investigado sistemáticamente en detalle mediante experimentos controlados.
En este artículo, se investigaron los mecanismos de coagulación/floculación de PAC con diferentes bases. Se investigó el efecto de la alcalinidad. Además de los experimentos con vidrio, se empleó la tecnología de monitoreo de la dinámica de floculación, el analizador de dispersión fotométrica (PDA), para observar los procesos de agregación de flóculos. Esta técnica de monitoreo implica medir las fluctuaciones en la luz transmitida en una suspensión fluida y es muy sensible al estado de agregación de partículas. El objetivo fue proporcionar una mejor comprensión del papel del parche electrostático en la coagulación/floculación con PAC a diferentes niveles de alcalinidad.
Partes de la sección
Preparación de PACl
Los PAC se prepararon mediante inyección lenta de base en una solución de Al a temperatura ambiente. Para preparar las soluciones madre se utilizaron reactivos grado analítico AlCl3·6H2O y NaOH y agua desionizada . Se añadió NaOH a la solución de Al utilizando una bomba peristáltica en condiciones de agitación rápida . La cantidad de NaOH varió con la apertura objetivo (relación molar [OH]/[Al], valor B ). Los valores B seleccionados de los cuatro PAC fueron 0, 1,0, 2,2 y 2,5. Los productos resultantes se identificaron como PACl 0 , PACl 10 , PACl 22 y PACl 25.
Capacidad de neutralización de carga de los PAC
Con una alcalinidad de 0,5 mM como NaHCO 3 , la turbidez de la suspensión de trabajo fue de 53,2 NTU. La figura 1 muestra el efecto de la dosis de aluminio sobre el potencial zeta, la turbidez residual y el pH . Para todos los PAC, una tendencia general fue que a medida que aumentaba la dosis, el potencial zeta cambiaba de un valor negativo a uno positivo y luego alcanzaba un valor relativamente estable (Figura 1a). Las curvas de diferentes PAC se separaron en gran medida dependiendo de los valores B en la fase de dosis baja. El potencial zeta aumentó rápidamente
Conclusión
Cuando se utilizan coagulantes tradicionales como el alumbre, el intermedio Al b y el precipitado amorfo final se forman rápidamente in situ a través de autohidrólisis, lo que demuestra la capacidad de neutralización de carga. La coagulación con PCN es el principal mecanismo para eliminar la turbidez en este caso. Las especies de polímeros preformados presentes en los PAC son relativamente estables y tienen una carga altamente positiva, y estas especies pueden adsorberse en las superficies menores de las partículas de arcilla y experimentar agregación y reordenamiento.
Apreciación
Los amables comentarios de revisores anónimos son muy apreciados. Este trabajo fue apoyado por NSF China, 20477054 y 50578155.